CN104393313A - 一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料及其制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104393313A
CN104393313A CN201410734991.6A CN201410734991A CN104393313A CN 104393313 A CN104393313 A CN 104393313A CN 201410734991 A CN201410734991 A CN 201410734991A CN 104393313 A CN104393313 A CN 104393313A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
cathode catalyst
cell cathode
catalyst material
doping
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410734991.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104393313B (zh
Inventor
邹金龙
镡英子
代莹
李�瑞
王涵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Laboratory Instrument Wholesale Station, Daowai District, Harbin
Original Assignee
Heilongjiang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heilongjiang University filed Critical Heilongjiang University
Priority to CN201410734991.6A priority Critical patent/CN104393313B/zh
Publication of CN104393313A publication Critical patent/CN104393313A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104393313B publication Critical patent/CN104393313B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/9083—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9041—Metals or alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料及其制备方法，它涉及一种微生物燃料电池阴极催化剂材料及其制备方法。本发明的目的是要解决现有采用铂碳催化剂作为微生物燃料电池阴极催化剂材料存在成本高的问题。一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料由铁源和碳源制备的复合材料，所述的复合材料是Fe粒子及Fe3C粒子均匀分布在石墨化碳骨架，且粒径在10nm～300nm的Fe/Fe3C/C复合材料。方法：一、溶解；二、水浴加热；三、干燥；四、高温碳化还原，即得到氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料。本发明用于制备氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料。

Description

一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微生物燃料电池阴极催化剂材料及其制备方法。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，简称MFCs)是一种新型的清洁能源装置，利用微生物的催化作用，将降解污水中有机物的化学能转化为生物电能。在阳极上的微生物分有机废物产生质子和电子，产生的电子由电子转移媒介传递到阳极材料上，继而通过外电路到达阴极，由此产生外部电流，同时产生的质子通过质子交换膜到达阴极，在阴极催化界面处与电子、氧气发生还原反应生成水，从而完成电池内部电荷的传递。MFCs的底物(污水)来源广泛、能量利用率较高、安全无污染。随着MFCs装置结构的不断优化、内阻的大幅降低，昂贵的电极材料、较低的电极反应效率已成为限制MFCs发展的因素之一。
在MFCs阴极，电子被其最终受体得到，发生还原反应得到还原产物。对阴极的电子受体为氧气的MFCs而言，阴极催化剂的研制和阴极传质结构的优化成为MFCs领域研究的热点问题。普遍应用的铂碳(Pt/C)催化剂价格相当昂贵，使得阴极成本非常高，阻止了MFCs的放大化。
发明内容
本发明的目的是要解决现有采用铂碳催化剂作为微生物燃料电池阴极催化剂材料存在成本高的问题，而提供一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料及其制备方法。
一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料由铁源和碳源制备的复合材料，所述的复合材料是Fe粒子及Fe3C粒子均匀分布在石墨化碳骨架，且粒径在10nm～300nm的Fe/Fe3C/C复合材料；所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)。
一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、溶解：首先将铁源和碳源混合，然后溶解于去离子水中，得到混合溶液；二、水浴加热：将混合溶液置于100℃水浴条件下搅拌2h～3h，得到水浴反应产物；三、干燥：水浴反应产物置于烘箱中，在温度为100℃下干燥至恒重，得到固体粉末；四、高温碳化还原：在氮气条件下将固体粉末以3℃/min的升温速率从室温升温至640～800℃,并在温度为640～800℃下进行高温碳化还原，高温碳化还原4h，得到黑色粉末产物，即为氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料；步骤一中所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)；步骤一中所述的碳源的质量与去离子水的体积比为1g:(4mL～5mL)。
本发明优点：
一、本发明方法制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，利用相对安全的三聚氰胺或氰胺为碳源，得到的复合材料具有良好的导电性、稳定性和较高的催化活性；
二、本发明方法制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，利用较低的碳化温度就可以制备出Fe3C，节省了能源；
三、本发明方法制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，得到可以与Pt等贵金属催化剂相媲美的产电性能，有效降低了催化剂的成本，为今后MFCs的规模化生产应用提供理论依据。
附图说明
图1是X-射线衍射谱图，图中A表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线衍射谱图，图中B表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线衍射谱图，图中*表示Fe3O4，图中#表示Fe，图中&表示Fe3C；
图2是线性扫描伏安曲线，图中A表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的线性扫描伏安曲线，图中B表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的线性扫描伏安曲线；
图3是试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线光电子能谱图；
图4是电压-时间曲线图；
图5是试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线光电子能谱图；
图6是电压-时间曲线图；
图7是极化曲线-功率密度曲线图，图中□表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时极化曲线，图中■表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时功率密度曲线，图中☆表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时极化曲线，图中★表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时功率密度曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，由铁源和碳源制备的复合材料，所述的复合材料是Fe粒子及Fe3C粒子均匀分布在石墨化碳骨架，且粒径在10nm～300nm的Fe/Fe3C/C复合材料；所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)。
MFCs在转化生物能为电能的过程中存在着较大的能量损失，这些损失一方面源自库伦损失，即废水中的有机物没有全部用来发电，而是通过其他方式将能量散失掉了；另一方面源自电极极化和欧姆内阻引起的能量损失。总的来说，面对来自传统废水能源化的技术的挑战，MFCs研究的一个主要任务是“降低成本、提高产电能力、商业化应用”。
本发明针对的单室空气阴极反应器，希望通过减小电极的制备成本、降低电池的内阻来提高MFCs的功率输出问题而展开研究，设计合成出一种价格低廉、催化活性良好，能够替代贵金属(Pt、Pd、Ru等)在阴极承担催化氧化的责任，同时使反应器能够长期有效稳定的运行，并且得到可以与Pt等贵金属相媲美的产电性能。主要工作是制备出氮掺杂Fe/Fe3C/C复合体材料，将其作为阴极催化剂，通过提高该复合体材料的氧还原(ORR)催化活性作用而提高MFCs的产电性能。在提高性能的同时降低成本，为今后MFCs的规模化生产应用提供理论依据。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的铁源为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、硫酸亚铁和氯化亚铁中的一种或其中几种混合物。其他与具体实施方式一相同。
当本实施方式所述的铁源为混合物时，混合物中各组分按任意比混合。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的碳源为三聚氰胺或氰胺。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式是一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、溶解：首先将铁源和碳源混合，然后溶解于去离子水中，得到混合溶液；二、水浴加热：将混合溶液置于100℃水浴条件下搅拌2h～3h，得到水浴反应产物；三、干燥：水浴反应产物置于烘箱中，在温度为100℃下干燥至恒重，得到固体粉末；四、高温碳化还原：在氮气条件下将固体粉末以3℃/min的升温速率从室温升温至640～800℃,并在温度为640～800℃下进行高温碳化还原，高温碳化还原4h，得到黑色粉末产物，即为氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料；步骤一中所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)；步骤一中所述的碳源的质量与去离子水的体积比为1g:(4mL～5mL)。
本实施方式步骤二目的完全去除步骤一中得到的混合溶液中的去离子水。
MFCs在转化生物能为电能的过程中存在着较大的能量损失，这些损失一方面源自库伦损失，即废水中的有机物没有全部用来发电，而是通过其他方式将能量散失掉了；另一方面源自电极极化和欧姆内阻引起的能量损失。总的来说，面对来自传统废水能源化的技术的挑战，MFCs研究的一个主要任务是“降低成本、提高产电能力、商业化应用”。
本实施方式针对的单室空气阴极反应器，希望通过减小电极的制备成本、降低电池的内阻来提高MFCs的功率输出问题而展开研究，设计合成出一种价格低廉、催化活性良好，能够替代贵金属(Pt、Pd、Ru等)在阴极承担催化氧化的责任，同时使反应器能够长期有效稳定的运行，并且得到可以与Pt等贵金属相媲美的产电性能。主要工作是制备出氮掺杂Fe/Fe3C/C复合体材料，将其作为阴极催化剂，通过提高该复合体材料的氧还原(ORR)催化活性作用而提高MFCs的产电性能。在提高性能的同时降低成本，为今后MFCs的规模化生产应用提供理论依据。
本实施方式方法制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，利用相对安全的三聚氰胺或氰胺为碳源，得到的复合材料具有良好的导电性、稳定性和较高的催化活性。
本实施方式方法制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，利用较低的碳化温度就可以制备出Fe3C，节省了能源。
本实施方式方法制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，得到可以与Pt等贵金属催化剂相媲美的产电性能，有效降低了催化剂的成本，为今后MFCs的规模化生产应用提供理论依据。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点是：步骤一中所述的铁源为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、硫酸亚铁和氯化亚铁中的一种或其中几种混合物。其他与具体实施方式四相同。
当本实施方式所述的铁源为混合物时，混合物中各组分按任意比混合。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五之一不同点是：步骤一中所述的碳源为三聚氰胺或氰胺。其他与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同点是：步骤四中所述的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料为Fe粒子及Fe3C粒子均匀分布在石墨化碳骨架，且粒径在10nm～300nm的Fe/Fe3C/C复合材料。其他与具体实施方式四至六相同。
采用下述试验验证本发明效果
试验一：一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、溶解：首先将0.1g铁源和1g碳源混合，然后溶解于5mL去离子水中，得到混合溶液；二、水浴加热：将混合溶液置于100℃水浴条件下搅拌2h，得到水浴反应产物；三、干燥：水浴反应产物置于烘箱中，在温度为100℃下干燥至恒重，得到固体粉末；四、高温碳化还原：在氮气条件下将固体粉末以3℃/min的升温速率从室温升温至640℃,并在温度为640℃下进行高温碳化还原，高温碳化还原4h，得到黑色粉末产物，即为氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料。
本试验步骤一中所述的铁源为氯化铁。
本试验步骤一中碳源为三聚氰胺。
试验二：一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、溶解：首先将0.1g铁源和1g碳源混合，然后溶解于5mL去离子水中，得到混合溶液；二、水浴加热：将混合溶液置于100℃水浴条件下搅拌2h，得到水浴反应产物；三、干燥：水浴反应产物置于烘箱中，在温度为100℃下干燥至恒重，得到固体粉末；四、高温碳化还原：在氮气条件下将固体粉末以3℃/min的升温速率从室温升温至650℃,并在温度为650℃下进行高温碳化还原，高温碳化还原4h，得到黑色粉末产物，即为氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料。
本试验步骤一中所述的铁源为氯化铁。
本试验步骤一中碳源为三聚氰胺。
图1是X-射线衍射谱图，图中A表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线衍射谱图，图中B表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线衍射谱图，图中*表示Fe3O4，图中#表示Fe，图中&表示Fe3C；从图1中可知试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料和试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料在2θ等于44.8°和65.1°处都有衍射峰存在，说明它们都含有体心立方结构的α–Fe(JCPDS,No.87–0722)。试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料主要衍射峰在37.8，39.9，40.7，42.9，43.7，44.6，45.1，46.0，48.7和49.1°分别对应Fe3C的(210)，(002)，(201)，(211)，(102)，(220)，(031)，(112)，(131)和(221)的特征峰(JCPDS,No.89–2867)。试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料中同时含有Fe3C,α–Fe和含量很少的Fe3O4；铁物种的存在可以很好地起到石墨化助剂的作用，增加催化剂材料的导电性。
图2是线性扫描伏安曲线，图中A表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的线性扫描伏安曲线，图中B表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的线性扫描伏安曲线，从图2中可知试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的半波电位和电流密度都要比试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料高，试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的催化活性要高于试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料。
图3是试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线光电子能谱图；图中A表示吡啶氮，图中B表示吡咯氮，图中C表示氧化氮，从图3中可知吡啶氮的峰值为398.2eV，吡咯氮的峰值为399.8eV，氧化氮的峰值为404.6eV，从图3中可知试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料中氮组成分别是吡啶氮、吡咯氮和氧化氮，它们对氧还原反应过程起着重要作用。
将试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂时，该电池的电压-时间曲线图如图4所示，图4是电压-时间曲线图，从图4可知，将试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂时，电池在运行过程中平均电压可以达到0.54V，而且在多个运行周期过后，其电压输出降低较少，说明试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂时具有良好的稳定性。
图5是试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线光电子能谱图；图中A表示吡啶氮，图中B表示吡咯氮，图中C表示氧化氮，从图5中可知吡啶氮的峰值为398.3eV，吡咯氮的峰值为399.9eV，氧化氮的峰值为403.7eV，从图5中可知试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料中氮组成分别是吡啶氮、吡咯氮和氧化氮，它们对氧还原反应过程起着重要作用。
将试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂时，该电池的电压-时间曲线图如图6所示，图6是电压-时间曲线图，从图6可知，利用试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂时，电池在运行过程中平均电压可以达到0.61V，而且在多个运行周期过后，其电压输出降低较少，说明试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂时具有良好的稳定性。
图7是极化曲线-功率密度曲线图，图中□表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时极化曲线，图中■表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时功率密度曲线，图中☆表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时极化曲线，图中★表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时功率密度曲线，从图7可知试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时和试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时，由于组分和结构的差异，使得前者的功率密度低于后者，试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时，最大功率密度可以达到1323mW·m– 2，并且开路电压为0.88V，Fe/Fe3C/C-640的最大功率密度为871mW·m– 2，开路电压为0.75V。
试验三：本试验与试验二的不同点是：步骤一中首先将0.2g铁源和1g碳源混合，然后溶解于5mL去离子水中，得到混合溶液。其他与试验二相同。
试验四：本试验与试验二的不同点是：步骤一中首先将0.3g铁源和1g碳源混合，然后溶解于5mL去离子水中，得到混合溶液。其他与试验二相同。
试验五：本试验与试验二的不同点是：步骤一中首先将0.4g铁源和1g碳源混合，然后溶解于5mL去离子水中，得到混合溶液。其他与试验二相同。
试验六：本试验与试验二的不同点是：步骤一中首先将0.5g铁源和1g碳源混合，然后溶解于5mL去离子水中，得到混合溶液。其他与试验二相同。
试验七：本试验与试验二的不同点是：步骤一中所述的铁源为FeCl2。其他与试验二相同。
试验八：本试验与试验二的不同点是：步骤一中所述的铁源为FeSO4。其他与试验二相同。
试验九：本试验与试验二的不同点是：步骤一中所述的铁源为Fe2(SO4)3。其他与试验二相同。
试验十：本试验与试验二的不同点是：步骤一中所述的铁源为Fe(NO3)3。其他与试验二相同。
试验十一：一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、溶解：首先将0.1g铁源和1g碳源混合，然后溶解于5mL去离子水中，得到混合溶液；二、水浴加热：将混合溶液置于100℃水浴条件下搅拌2h，得到水浴反应产物；三、干燥：水浴反应产物置于烘箱中，在温度为100℃下干燥至恒重，得到固体粉末；四、高温碳化还原：在氮气条件下将固体粉末以3℃/min的升温速率从室温升温至750℃,并在温度为750℃下进行高温碳化还原，高温碳化还原4h，得到黑色粉末产物，即为氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料。
本试验步骤一中所述的铁源为氯化铁。
本试验步骤一中碳源为氰胺。
试验十二：一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、溶解：将1g三聚氰胺泡沫泡加入质量分数为10％的FeCl2溶液中，搅拌混合12h，得到混合溶液；二、水浴加热：将混合溶液置于100℃水浴条件下搅拌2h，得到水浴反应产物；三、干燥：水浴反应产物置于烘箱中，在温度为100℃下干燥至恒重，得到固体粉末；四、高温碳化还原：在氮气条件下将固体粉末以3℃/min的升温速率从室温升温至800℃,并在温度为800℃下进行高温碳化还原，高温碳化还原4h，得到黑色粉末产物，即为氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料。
本试验步骤一中所述的铁源为氯化铁。
本试验步骤一中碳源为氰胺。

Claims (7)

1.一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，其特征在于氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料由铁源和碳源制备的复合材料，所述的复合材料是Fe粒子及Fe3C粒子均匀分布在石墨化碳骨架，且粒径在10nm～300nm的Fe/Fe3C/C复合材料；所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，其特征在于所述的铁源为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、硫酸亚铁和氯化亚铁中的一种或其中几种混合物。
3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，其特征在于所述的碳源为三聚氰胺或氰胺。
4.一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法，其特征在于氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、溶解：首先将铁源和碳源混合，然后溶解于去离子水中，得到混合溶液；二、水浴加热：将混合溶液置于100℃水浴条件下搅拌2h～3h，得到水浴反应产物；三、干燥：水浴反应产物置于烘箱中，在温度为100℃下干燥至恒重，得到固体粉末；四、高温碳化还原：在氮气条件下将固体粉末以3℃/min的升温速率从室温升温至640～800℃,并在温度为640～800℃下进行高温碳化还原，高温碳化还原4h，得到黑色粉末产物，即为氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料；步骤一中所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)；步骤一中所述的碳源的质量与去离子水的体积比为1g:(4mL～5mL)。
5.根据权利要求4所述的一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，其特征在于步骤一中所述的铁源为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、硫酸亚铁和氯化亚铁中的一种或其中几种混合物。
6.根据权利要求4所述的一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，其特征在于步骤一中所述的碳源为三聚氰胺或氰胺。
7.根据权利要求4所述的一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，其特征在于步骤四中所述的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料为Fe粒子及Fe3C粒子均匀分布在石墨化碳骨架，且粒径在10nm～300nm的Fe/Fe3C/C复合材料。
CN201410734991.6A 2014-12-04 2014-12-04 一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法 Expired - Fee Related CN104393313B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410734991.6A CN104393313B (zh) 2014-12-04 2014-12-04 一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410734991.6A CN104393313B (zh) 2014-12-04 2014-12-04 一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104393313A true CN104393313A (zh) 2015-03-04
CN104393313B CN104393313B (zh) 2016-11-30

Family

ID=52611177

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410734991.6A Expired - Fee Related CN104393313B (zh) 2014-12-04 2014-12-04 一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104393313B (zh)

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105024053A (zh) * 2015-06-19 2015-11-04 苏州大学 含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法、用该方法制备的碳纳米网及其应用
CN105148960A (zh) * 2015-09-23 2015-12-16 黑龙江大学 氧还原催化剂B掺杂Fe3C/晶态碳的制备方法
CN106067546A (zh) * 2016-08-10 2016-11-02 上海交通大学 碳/纳米碳化二铁复合材料、复合电极及制备方法和应用
CN106229521A (zh) * 2016-07-19 2016-12-14 大连理工大学 一种FeCx@NC核壳结构催化剂及其制备方法
JP2017204345A (ja) * 2016-05-10 2017-11-16 後藤　剛 鉄炭密着ヘドロ電池および鉄炭密着ヘドロ電池を用いた発電方法
CN107369840A (zh) * 2017-08-31 2017-11-21 华中科技大学 一种原子级分散非贵金属燃料电池阴极催化剂的制备方法
CN108404947A (zh) * 2018-03-23 2018-08-17 枣庄学院 一种非均相类Fenton催化剂Fe3C/C复合材料的制备方法
CN109360992A (zh) * 2018-10-23 2019-02-19 青岛科技大学 一种三维连续碳骨架负载的金属-氮-碳纳米片的制备方法及应用
CN109433236A (zh) * 2018-11-27 2019-03-08 辽宁科技大学 多孔炭材料负载零价Fe-Fe3C的脱硝催化剂及其制备、使用方法
CN109453775A (zh) * 2018-10-26 2019-03-12 东莞理工学院 一种利用胡敏素制备的多孔碳负载单质铁催化剂及其制备方法和应用
CN110148742A (zh) * 2019-06-26 2019-08-20 陕西科技大学 一种锂离子电池用碳化铁/碳超薄纳米片状复合电极材料的制备工艺
CN110752378A (zh) * 2019-10-31 2020-02-04 四川大学 生物质基活性炭包覆的碳化铁三维多孔微生物燃料电池阳极材料、阳极及其制备方法
CN113506881A (zh) * 2021-07-13 2021-10-15 烟台大学 一种碳毡基铁/镁/锆/氮掺杂碳催化电极及其制备工艺、应用
CN113991131A (zh) * 2021-10-28 2022-01-28 徐州工程学院 一种碳化铁/四氧化三铁@碳复合催化剂的制备方法及应用
CN114042456A (zh) * 2021-12-03 2022-02-15 浙江工业大学 以生物质为原料制备Fe基催化剂的方法及Fe基催化剂的应用
WO2022111736A1 (zh) * 2020-11-30 2022-06-02 苏州大学 Fe/Fe3C嵌入N掺杂碳复合材料及其制备方法与其在微生物燃料电池中的应用
CN114725403A (zh) * 2022-04-19 2022-07-08 华南理工大学 一种微生物燃料电池阳极材料及其制备方法与应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103007975A (zh) * 2012-12-04 2013-04-03 西北师范大学 含氮碳材料的制备及作为氧还原电催化剂在燃烧电池中的应用
CN103599805A (zh) * 2013-11-20 2014-02-26 东华大学 一种氮掺杂石墨烯燃料电池催化剂的制备和应用
CN103611561A (zh) * 2013-12-11 2014-03-05 西北师范大学 利用玉米渣制备用于氧还原反应的非金属催化剂的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103007975A (zh) * 2012-12-04 2013-04-03 西北师范大学 含氮碳材料的制备及作为氧还原电催化剂在燃烧电池中的应用
CN103599805A (zh) * 2013-11-20 2014-02-26 东华大学 一种氮掺杂石墨烯燃料电池催化剂的制备和应用
CN103611561A (zh) * 2013-12-11 2014-03-05 西北师范大学 利用玉米渣制备用于氧还原反应的非金属催化剂的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHENHAI WEN ET AL: ""Nitrogen-Enriched core-Shell Structured Fe/Fe3C-C Nanorods as Advanced Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction"", 《ADVANCED MATERIALS》 *

Cited By (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105024053A (zh) * 2015-06-19 2015-11-04 苏州大学 含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法、用该方法制备的碳纳米网及其应用
CN105024053B (zh) * 2015-06-19 2017-03-15 苏州大学 含Fe/Fe3C的碳纳米网的制备方法、用该方法制备的碳纳米网及其应用
CN105148960A (zh) * 2015-09-23 2015-12-16 黑龙江大学 氧还原催化剂B掺杂Fe3C/晶态碳的制备方法
CN105148960B (zh) * 2015-09-23 2017-10-10 黑龙江大学 氧还原催化剂B掺杂Fe3C/晶态碳的制备方法
JP2017204345A (ja) * 2016-05-10 2017-11-16 後藤　剛 鉄炭密着ヘドロ電池および鉄炭密着ヘドロ電池を用いた発電方法
CN106229521A (zh) * 2016-07-19 2016-12-14 大连理工大学 一种FeCx@NC核壳结构催化剂及其制备方法
CN106229521B (zh) * 2016-07-19 2019-02-01 大连理工大学 一种FeCx@NC核壳结构催化剂及其制备方法
CN106067546A (zh) * 2016-08-10 2016-11-02 上海交通大学 碳/纳米碳化二铁复合材料、复合电极及制备方法和应用
CN107369840A (zh) * 2017-08-31 2017-11-21 华中科技大学 一种原子级分散非贵金属燃料电池阴极催化剂的制备方法
CN108404947A (zh) * 2018-03-23 2018-08-17 枣庄学院 一种非均相类Fenton催化剂Fe3C/C复合材料的制备方法
CN108404947B (zh) * 2018-03-23 2020-11-27 枣庄学院 一种非均相类Fenton催化剂Fe3C/C复合材料的制备方法
CN109360992A (zh) * 2018-10-23 2019-02-19 青岛科技大学 一种三维连续碳骨架负载的金属-氮-碳纳米片的制备方法及应用
CN109453775A (zh) * 2018-10-26 2019-03-12 东莞理工学院 一种利用胡敏素制备的多孔碳负载单质铁催化剂及其制备方法和应用
CN109433236A (zh) * 2018-11-27 2019-03-08 辽宁科技大学 多孔炭材料负载零价Fe-Fe3C的脱硝催化剂及其制备、使用方法
CN110148742A (zh) * 2019-06-26 2019-08-20 陕西科技大学 一种锂离子电池用碳化铁/碳超薄纳米片状复合电极材料的制备工艺
CN110752378A (zh) * 2019-10-31 2020-02-04 四川大学 生物质基活性炭包覆的碳化铁三维多孔微生物燃料电池阳极材料、阳极及其制备方法
CN110752378B (zh) * 2019-10-31 2021-03-26 四川大学 生物质基活性炭包覆的碳化铁三维多孔微生物燃料电池阳极材料、阳极及其制备方法
WO2022111736A1 (zh) * 2020-11-30 2022-06-02 苏州大学 Fe/Fe3C嵌入N掺杂碳复合材料及其制备方法与其在微生物燃料电池中的应用
CN113506881A (zh) * 2021-07-13 2021-10-15 烟台大学 一种碳毡基铁/镁/锆/氮掺杂碳催化电极及其制备工艺、应用
CN113991131A (zh) * 2021-10-28 2022-01-28 徐州工程学院 一种碳化铁/四氧化三铁@碳复合催化剂的制备方法及应用
CN113991131B (zh) * 2021-10-28 2023-05-16 徐州工程学院 一种碳化铁/四氧化三铁@碳复合催化剂的制备方法及应用
CN114042456A (zh) * 2021-12-03 2022-02-15 浙江工业大学 以生物质为原料制备Fe基催化剂的方法及Fe基催化剂的应用
CN114042456B (zh) * 2021-12-03 2023-11-10 浙江工业大学 以生物质为原料制备Fe基催化剂的方法及Fe基催化剂的应用
CN114725403A (zh) * 2022-04-19 2022-07-08 华南理工大学 一种微生物燃料电池阳极材料及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN104393313B (zh) 2016-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104393313B (zh) 一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法
CN106803595B (zh) 一种碳基氧还原催化剂及其制备方法与应用
CN102974380B (zh) 一种铁、氮共掺杂炭黑催化剂及其制备方法
CN110124713B (zh) 一种氮掺杂碳纳米纤维负载空心结构Co3O4/CeO2纳米粒子材料的制备方法和应用
CN113270595A (zh) 一种基于mof制备的氮掺杂碳载非贵金属纳米催化剂
CN111224113B (zh) 一种多级碳纳米结构锚定的Ni-N4单原子催化剂及其制备方法和应用
CN103316706B (zh) 一种掺杂金属的聚苯胺与聚吡咯复合物碳化电催化剂及其制备方法
CN105336964B (zh) 一种氮掺杂碳纳米管/氮化碳复合材料的制备方法及应用
CN104218250A (zh) 一种燃料电池用PtM/C电催化剂及其制备方法
CN110611105B (zh) Orr催化剂的制备方法
CN109119642B (zh) 一种多孔氮掺杂碳负载氮化铁催化剂及其制备方法以及应用
CN107871917A (zh) 一种中性溶液中的锌‑空气电池及其制造方法
CN109731604A (zh) 一种钴掺杂多孔氮化钒纳米片双功能电催化剂的制备方法
CN104993160A (zh) 一种非贵金属离子络合席夫碱石墨烯催化剂的制备方法
CN108336374A (zh) 一种高性能三元Fe-Co-Ni共掺杂含氮碳材料及其制备方法和应用
CN103599784A (zh) 一种铁、氮掺杂的非贵金属催化剂及其制备和应用
CN104624218A (zh) 一种过渡金属氧还原反应催化剂的制备方法
CN114068963A (zh) 过渡金属及其化合物锚定氮掺杂碳催化剂制备方法及应用
CN112002912A (zh) 一种氮掺杂碳纸氧还原反应催化剂的制备方法
CN107138172B (zh) 一种电极催化材料的制备方法及其在葡萄糖燃料电池中的应用
CN114628696B (zh) 一种多孔碳载钴基双功能氧催化剂的制备方法
Wang et al. Microwave-assisted synthesis of nitrogen-doped activated carbon as an oxygen reduction catalyst in microbial fuel cells
CN104332637A (zh) 一种贵金属纳米颗粒负载于多孔石墨烯的催化剂制备方法
CN104148071A (zh) 一种多孔高活性非贵金属催化剂的制备及其应用
CN109742413A (zh) 一种六角纳米片状燃料电池氧还原催化剂的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20190812

Address after: 150026 Unit 6, Unit 1, Unit 1, Unit 1, Unit 1, 205 Nanshidao Street, Daowai District, Harbin City, Heilongjiang Province

Patentee after: Dalian Laboratory Instrument Wholesale Station, Daowai District, Harbin

Address before: 150080 Harbin, Heilongjiang, Nangang District Road, No. 74

Patentee before: Heilongjiang University

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20161130

Termination date: 20191204